神经外科

转运体靶向纳米药物递送系统治疗胶质瘤的研究进展

作者:佚名 来源:MedSci梅斯 日期:2022-11-24
导读

         脑胶质瘤是最常见的原发性脑肿瘤,起源于胶质细胞,占所有脑瘤的28%,占恶性脑瘤的80%,年发病率为6.6/10万人。根据组织病理学,脑胶质瘤可以分为:星形细胞瘤、少突胶质细胞瘤、室管膜瘤,且根据世界卫生组织分级系统将其细胞细分为I-Ⅳ级。由于脑胶质瘤恶性程度高,侵袭性强,具有高发病率和预后差的特点。 目前,通过临床试验,治疗胶质瘤的三大手段是,最大限度的手术切除、放疗和化疗。替莫唑胺是胶质瘤治疗

关键字:  胶质瘤 

        脑胶质瘤是最常见的原发性脑肿瘤,起源于胶质细胞,占所有脑瘤的28%,占恶性脑瘤的80%,年发病率为6.6/10万人。根据组织病理学,脑胶质瘤可以分为:星形细胞瘤、少突胶质细胞瘤、室管膜瘤,且根据世界卫生组织分级系统将其细胞细分为I-Ⅳ级。由于脑胶质瘤恶性程度高,侵袭性强,具有高发病率和预后差的特点。

        目前,通过临床试验,治疗胶质瘤的三大手段是,最大限度的手术切除、放疗和化疗。替莫唑胺是胶质瘤治疗的一线用药,StuppR等人的研究显示,胶质母细胞瘤患者放疗加替莫唑胺治疗的中位生存期为12~14个月。但是目前存在的问题,由于BBB的存在,不是脂溶性化疗药物,难以通过血脑屏障进入脑内,所以从抗肿瘤药物筛选出更易透过血脑屏障的治疗药物或者对其进行修饰,使其进入血脑屏障,是目前治疗胶质瘤刻不容缓待解决的问题。

        BBB是一种具有高度选择性的半透膜,是一层脑内血管内皮细胞组成,经由周细胞,星型胶质细胞末端和基底膜等结构紧密包裹的结构,是大脑维持正常功能不可或缺的生理屏障。BBB在发挥正常神经功能、保护脑内微环境稳态的同时,也给脑部药物递送造成困难。多项研究报道,在BBB上有多种转运体介导的转运体蛋白存在,它们大都与脑营养物质的跨膜转运有关,包括氨基酸转运体、葡萄糖转运体以及肽转运体等,可以用于脑内氨基酸、葡萄糖、肽的运输。本文综述纳米载体在脑胶质瘤中的应用,从及纳米载药递送系统对脑部靶向治疗的作用机制。

1.纳米载体

        将化疗药物递送到肿瘤部位以及提高生物利用度是目前生物研究中的重大挑战。越来越多的研究证明,功能性纳米载体可以被转运蛋白配体进行修饰,与相应的转运蛋白互相靶向杀伤肿瘤。纳米颗粒直径在1~1000nm,属于胶体大小的粒子,在药物递送方面具有巨大前景。目前常用于跨越血脑屏障给药的纳米颗粒有纳米粒,脂质体,聚合物胶束。

        1.1金属纳米颗粒

        金属纳米粒子比其他类别的纳米粒子(脂质体)小,并且可以由纯金属颗粒组成,如金、银、铁以及非金属的金属异形体。金属纳米颗粒是致密的球形载体结构,不能通过包裹药物分子进行传递,但药物分子可以与金属纳米颗粒表面偶联。金纳米颗粒已被广泛用于各种治疗,如成像,传递和治疗。RobertBachoo教授等人研究证明,金纳米粒子通过抗体IgG修饰,使其可以靶向紧密链接黏附分子A蛋白,利用皮秒激光刺激靶向金纳米颗粒后会在其周围纳米范围内产生机械波,并作用在血脑屏障的紧密连接上从而打开血脑屏障实现药物递送。

        阮少波等人开发了聚乙二醇(Poly-ethyleneglycol,PEG)和低密度脂蛋白受体为配体共修饰的载阿霉素的金纳米颗粒治疗胶质瘤,该纳米递药系统不仅促进了纳米粒特异性在胶质瘤中递送和释放DOX,而且治疗的胶质瘤小鼠中位生存期延长,药效结果显示该靶向系统具有良好的抗胶质瘤作用。

        1.2脂质体

        脂质体是由磷脂双分子层构成,是一种具有类细胞膜结构的脂质囊泡。其生物相容性好,具有通过延迟清除和延长血管内循环时间,改变其包封药物分布的能力。通过包含表面结合的亲水性分子如PEG,脂质体的循环时间会进一步增加。PEG链在脂质体表面上产生高度水结合的屏障,阻碍调理素的粘附。由于其足够大的粒径阻止肾小球过滤而减少肾排泄,PEG修饰的脂质体在体内循环时间得到延长。

        目前,脂质体递送系统被大家所接受,是用于包载肿瘤药物对于制药的稳定性和药物动力学的最合适的递送系统,脂质体具生物降解性并具有加载大量浓度抗癌药的潜力。还有R8肽-PEG化靶向脂质体治疗胶质瘤,数据表明,其有良好的缓释特征,提高了稳定性,提高了脂质体的跨血脑屏障能力。脂质体作为一类药物递送系统在抗肿瘤药物递送中具有很大的优势,用于临床,能提高抗肿瘤药物效果及耐药性。

        1.3树枝状聚合物

        树枝状聚合物是一种独特的聚合物纳米粒子,其体积和形态在合成过程中可控。聚酰胺-胺(PAMAM)树枝状聚合物是应用最广泛的一种。区别于传统药物转运体系的特点是其核-壳特性,即内部空腔可物理包裹小分子药物,外表面大量的官能团能复合或转运高浓度的药物分子。作为脑靶向药物的载体,基于整合素结合肽RGDyC-PEG化的PAMAM包载抗肿瘤药物三氧化二砷,不仅促使纳米粒通过血脑屏障,而且使纳米粒具有靶向性,使接种C6细胞小鼠的体重减轻,降低了三氧化二砷的毒性,肿瘤抑制率显著提高。

2.纳米载药系统对脑部靶向治疗作用机制

        国内外对靶向治疗药物的研究表明,纳米药物达到特定的部位的靶向主要通过被动靶向和主动靶向实现。而实现脑部靶向主要依靠主动靶向手段。目前穿透血脑屏障的主动靶向主要有三种:(1)吸附介导的转运;(2)转运体介导的转运;(3)受体介导的跨膜转运。

        2.1吸附介导的转运

        吸附介导转运依赖于带正电的底物与质膜之间的静电相互作用,导致分子被吸收内化,然后分子透过血脑屏障。许多肽或者蛋白可以通过吸附介导的转运进行跨血脑屏障转运,例如细胞穿膜肽(cell-penetratingpeptides,CPPs)和阳离子蛋白。在最近的研究中,一些CPP已被用于将生物活性肽或蛋白质输送到中枢神经系统。Lin等人利用两亲CPP偶联Angiopep-2化纳米颗粒递送siRNA用于胶质瘤的治疗。

        2.2转运体介导的转运

        大量的转运蛋白存在于血脑屏障中,可将小分子物质从血液运输到大脑,根据方向可分为内流型和外排型。内流转运蛋白包括葡萄糖转运蛋白(Glucosetransporter,GLUT1)、L型氨基酸转运体(L-typeaminoacidtransporter,LAT)、胆碱转运蛋白(cholinetransporter,ChT)等。外排转运蛋白包括P-糖蛋白(P-glycoprotein,P-gp)、多药耐药蛋白(MRP)、乳腺癌耐药蛋白(BCRP)等。研究发现,用GLUT1抗体单链片段修饰装载化疗药物的纳米颗粒,促进其跨血脑屏障运输和胶质母细胞瘤靶向治疗。

        2.2.1氨基酸转运体

        氨基酸一方面是构成蛋白质的基本元件,另一方面是细胞合成嘌呤、嘧啶核苷酸及谷胱甘肽的主要来源。大量的氨基酸在肿瘤的生长、侵袭及转移中发挥重要作用。目前,LAT是一种大的中性氨基酸转运体系且在转运时不依赖Na+。主要成员有LAT1、LAT2、LAT3、LAT4,其中研究最多的是LAT1。

        LAT1主要转运大的中性氨基酸,包括支链氨基酸和芳香族氨基酸。LAT1在结肠癌、肺癌、前列腺癌中均上调。且LAT1在BBB上高表达,能够促进氨基酸及药物进入中枢神经系统(Centralnervoussystem,CNS),这些能进入CNS的药物被发现与LAT1的内源性底物具有高度的相似结构,通过制备LAT1底物修饰的纳米粒子促进药物在脑部转运。

        合成一种新型L-DOPA(L-3,4-dihydroxyphenylalanine)功能化的(Amphi-DOPA)来修饰脂质体,以增强药物通过血脑屏障达到治疗胶质瘤的效果。与未处理小鼠组相比,尾静脉注射LAT1转运的靶向脂质体可使原位胶质瘤小鼠总体存活率提高60%,为LAT1介导的脑胶质瘤系统性治疗提供了策略。

        2.2.2葡萄糖转运体

        葡萄糖的运输和利用对大脑活动至关重要,虽然葡萄糖是大脑所需的营养物质,但不能自我合成。GLUT1主要存在血脑屏障的血管内皮细胞中,负责转运葡萄糖入脑。因此,葡萄糖转运蛋白也可以作为药物输送到大脑的治疗靶点。研究发现,用GLUT1抗体单链片段修饰装载化疗药物的纳米颗粒,促进其跨血脑屏障运输和胶质瘤的靶向治疗。吴勇等人构建双靶向GLU-RGD-Chol作为脂质体配体,将紫杉醇递送至胶质瘤,双重靶向给药系统在体内体外表现出更强的靶向能力,在体内成像中,GLU修饰的脂质体在肿瘤部位蓄积。

        2.2.3P-糖蛋白

        P-糖蛋白分子(P-glycoprotein,P-gp)是细胞膜表面ATP依赖的药物外排转运体,可以将药物外排到细胞外,从而降低药物在胞浆中的浓度,进而降低药效。在脑毛细血管内皮管腔质膜上表达。研究发现,基因敲除P-gp的小鼠或者用P-gp抑制剂的正常小鼠组,P-gp的缺失使得药物在脑内蓄积,这可能会导致神经毒性增加,结果验证P-gp的功能是限制药物进入大脑。

        2.3受体介导的跨膜转运

        受体介导的跨膜转运是一种囊泡跨过细胞膜的途径,大分子通过该途径转运穿过血脑屏障,通过配体受体结合,发生受体介导的内吞作用,接着药物受体复合物在内皮细胞质内移动,最后药物胞吐到胞外表面。血脑屏障上的特异性受体,例如转铁蛋白受体1(transferrin,TfR)、脂蛋白受体、胰岛素受体、乙酰胆碱受体都可以结合大分子或配体的纳米载体达到脑部递送。

        TFR1在脑微血管的管腔膜上广泛表达,研究人员发现,铁蛋白与受体TfR1结合后,会通过脑内皮细胞的转胞吞作用穿透BBB,而不会被阻断在溶酶体中,而在恶性胶质瘤中,在受体TfR1的介导下,铁蛋白会被特异性蓄积到溶酶体中降解,进而释放内部装载的药物。在原位胶质瘤小鼠模型中,铁蛋白在穿过BBB后,特异性地富集在肿瘤部位并抑制肿瘤的生长,而正常的脑组织无明显的富集,同时脑组织切片也证实此结果。

3.转运体靶向纳米给药系统在胶质瘤脑的应用

        血脑屏障的存在是药物无法到达肿瘤组织的棘手问题,脑组织中需要大量小分子极性营养物质来维持其生理功能,如葡萄糖、氨基酸、核苷酸等。血脑屏障上有多种特异性的转运体,可以将转运体作为靶点,用其特定底物对纳米载体进行修饰,可以使药物递送系统通过转运体介导跨越血脑屏障,从而提高在大脑中的药物浓度。

        此外还可以对底物修饰或结构改造以提高对转运体的亲和力、降低内源性物质的竞争抑制。目前已经有关于转运体主动靶向纳米制剂的研究,蒋晨教授团队根据在血脑屏障上高表达的胆碱转运体,进行设计合成一系列胆碱衍生物修饰的树枝状聚合物,研究表明,胆碱修饰的聚合物能同时通过胆碱转运体提高脑部传递。近年来对脂质体的研究主要关注于受体介导的脂质体,通过在脂质体分子上联接一种识别分子,即配体通过与靶细胞表面相对应的受体分子相互作用,从而将药物靶向至肿瘤部位,达到脂质体的主动靶向运输的目的,这种优势是增加药物的特异性,减少对非靶向器官的损伤,提高疗效。

        方晓玲教授课题组以2-脱氧葡萄糖为配体修饰纳米粒,构建以GLUT1为靶点的靶向药物递送系统,纳米递药系统实现可以与在血脑屏障上高表达的GLUT1相互作用增加脑内分布,然后靶向胶质瘤高表达的GLUT1增加药物在肿瘤细胞内的分布。这种靶向的方式不仅提高了纳米粒的穿透血脑屏障的能力,还提高了纳米粒在脑胶质瘤细胞中的细胞摄取,获得了优良的治疗结果。

        在脑毛细血管内皮细胞腔膜上表达的P-gp会将一些亲脂性药物排出,导致P-gp底物的表观BBB渗透率低,使用脂质体纳米递送系统设计可改善脑部运输,SushantLakkadwala等人设计一种TfR修饰脂质体表面用于受体靶向,受体靶向系统的内吞摄取会导致内体包埋,然后降解,为了避免此问题,我们用细胞穿透肽PFVYL1对脂质体进行双功能修饰,用来增加阿霉素和厄洛替尼抗肿瘤疗效,这种双功能化脂质体有明显的细胞摄取,体外血脑屏障模型结果显示该靶向脂质体系统增强了阿霉素和厄洛替尼对胶质母细胞瘤的转运。

        以上研究结果说明转运体具有非常好的应用前景,其特异性的分布为纳米制剂提供了非常好的靶点,其介导的纳米制剂的内吞效率相对于未修饰的纳米制剂有显著提高,且明显改善靶向制剂的体内分布以实现特异性的肿瘤药物递送。

4.小结和展望

        转运体作为脑部提供营养物质的中介已经被大家熟知,转运体靶向NDDS已经成为一种高效的药物输送平台。目前已经对血脑屏障上的转运体有所了解,但在转运体靶向治疗脑胶质瘤的调控机制方面处于探索阶段。将纳米药物递送系统用于胶质瘤的治疗,不仅可以克服血脑屏障的障碍,实现控释和缓释,提高治疗效果,还有利于保持药物的生物活性。

        在纳米载体的研究中,我们必须关注载体的安全性和稳定性,以避免NDDS在正常细胞的细胞毒性和脱靶分布。为了实现转运体靶向NDDS的广泛应用,我们还需解决实验动物与临床实验之间的差距,虽然纳米制剂在脑胶质瘤的临床研究少之又少,但其优良的递送性仍值得我们关注。

        来源:成倩,张羽飞,周迩,牟青春.转运体靶向纳米药物递送系统治疗胶质瘤的研究进展[J].牡丹江医学院学报,2022,43(04):145-148.

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